西菲律宾海盆I8孔黏土矿物的物源分析

舒雨婷，郑玉龙*，许　冬，初凤友

(1. 国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012; 2. 国家海洋局 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012)



西菲律宾海盆I8孔黏土矿物的物源分析

舒雨婷1,2，郑玉龙*1,2，许冬1,2，初凤友1,2

(1. 国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012; 2. 国家海洋局 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012)

摘要:应用X-射线衍射(XRD)方法分析了菲律宾海盆西部I8柱状样35个沉积物样品中的黏土矿物组分，结果表明：I8孔中黏土矿物以伊利石(40%)为主，蒙皂石(28%)和绿泥石(20%)次之，高岭石(12%)相对较低，且伊利石结晶度较好。黏土矿物来源分析表明，伊利石主要来源于亚洲大陆的风尘输入；蒙皂石主要源于研究样品周围火山物质的蚀变；而绿泥石和高岭石可能主要源自吕宋岛风化产物。

关键词:黏土矿物；物源；西菲律宾海盆

0引言

黏土矿物是海洋沉积物的重要组成部分，而且越来越多的研究表明，黏土矿物组合的变化和长期的气候演变之间存在一定关系，陆源黏土矿物会受到大陆冰盖厚度、海平面变化和源区物理化学风化的影响[1]，而海洋黏土矿物则与母岩特征、气候和海洋环境等相关[2]。因此，黏土矿物组合及变化能够记录搬运、再沉积和环境演化等信息，反映沉积物特征、物源以及陆源物质入海后的运移规律和过程，同时有助于了解物源区气候冷暖的周期性变化，提供了沉积区环境演化的重要信息，有助于讨论古环境以及海陆对比[3]。黏土矿物组合及其变化、结晶度等在研究古环境方面得到越来越多的应用[4]。

菲律宾海是多台风活动区,也是全世界热带气旋活动最频繁的海区[5]；海底地形复杂,岛弧、海脊、海岭、海山、海丘、高原、海盆、深海沟、海槽、裂谷等地形形态俱全[6]；海流系统主要是黑潮流系，其次是北赤道流[7](图1)。在北半球夏季，北赤道流分叉位置会南移，导致黑潮流量加大；冬季则相反，黑潮流量减小，棉兰老流的运输量相对增加[8]。对于菲律宾海的研究，主要集中在构造地质学和岩石学方面。而对于该区域的沉积学和矿物学方面的研究还较少。之前对于菲律宾海的研究主要集中在以下几个区域：菲律宾海沟附近，临近吕宋岛的区域以及帕里西维拉海盆。石学法 等[9-10]对菲律宾海沟附近的黏土矿物进行了研究，万世明 等[11-12]、池野 等[13]则对近吕宋岛海域的黏土矿物物源等进行了探讨，徐兆凯 等[8]、SEO et al[14]对西菲律宾黏土矿物中的风尘物质进行了集中探讨，熊志方 等[15]、明洁 等[16-17]、翟滨 等[18]、靳宁 等[19]将帕里西维拉海盆西北区域黏土矿物与古环境结合探讨，同时发现了大量的硅藻沉积。除此之外，张德玉[20-21]对马里亚纳海槽和西菲律宾海盆沉积物中的黏土矿物进行了研究，KOLLA et al[22]对整个菲律宾海盆的表层黏土矿物的分布和物质来源作过讨论。而本研究站位位于菲律宾海沟东侧主盆地，是以中央断裂带为中心的海底扩张形成，盆地水深5 500～6 000 m。盆地内发育有一系列线状深海山、海槽，而深海山的走向有规律地变化[23]。研究站位并未处于构造活动带及陆源物质大量输入的区域，同时受到了黑潮及底流的影响，前人的研究中对本区黏土矿物分析较少。本文对该区I8柱状样中的黏土矿物进行分析，根据黏土矿物的相对含量和组合特征，结合其结晶度和化学指数探讨了I8孔沉积物中黏土矿物的成因和来源。

1材料与方法

本文的研究站位I8孔(12°45′04.44″N，128°17′20.41″E)位于菲律宾海盆西部(图1)，水深5 405 m，柱状样长343 cm，沉积物主要由远洋黏土组成。该柱状沉积物是由中国科学院海洋研究所“科学号”考察船于2013年冬季航次，采用重力活塞取样器取得。

I8孔沉积物按照10 cm间隔共取样35个。全样沉积物经真空冷冻干燥后，取8～10 g样品，加去离子水洗盐后，加20 mL质量分数为20% 的H2O2去除有机质；然后加去离子水离心(3 500 r/min ,15 min)清洗2次。将去除有机质的沉积物样品进行筛分，获得粒径小于63 μm的组分；按照Stoekes沉降原理，提取<2 μm的组分后，加入1 mol/L盐酸去除碳酸盐，然后用去离子水清洗2次，最终获得<2 μm的组分。

图1　I8孔和文中涉及岩芯的位置以及洋流分布示意图(底图根据文献[13]改绘)Fig.1　Sketch map of the Philippine Sea showing the location of core I8 and other cores mentioned in the text, and ocean current(the base map modified after literature [13] )

对黏土粒级的样品用涂片法制成自然片，进行X-射线衍射(XRD)测试；然后将自然片制成乙二醇饱和片(35 ℃、36 h)，对部分典型样品加热至550 ℃，2 h制成加热片，分别进行XRD分析。 XRD分析采用荷兰X’Pert PRO X-射线衍射仪，Cu靶辐射，管电压为45 kV，管电流为40 mA，扫描范围为3°～35°(2θ)，扫描速度1.8°/min。所有样品的前处理和XRD分析在国家海洋局第二海洋研究所海底科学重点实验室完成。

依据同一样品在不同条件(自然片、乙二醇饱和片和加热片)衍射特征的对比研究(图2)，进行黏土矿物的识别[16]。使用Jade 6软件在乙二醇饱和片衍射图上对4种主要黏土矿物(伊利石、蒙皂石、绿泥石及高岭石)进行半定量计算。根据BISCAYE[25]的计算方法，在乙二醇饱和片衍射峰上，17 Å、10 Å和7 Å3个特征峰分别代表了蒙皂石、伊利石、绿泥石+高岭石，用这3个特征峰的面积分别乘以相应权重因子1、4、2，即可获得各黏土矿物在4种黏土矿物中的相对含量。绿泥石和高岭石的相对含量再采用3.54 Å和3.58 Å的衍射峰面积比值来计算[15]。

图2　西菲律宾海I8柱状样中典型样品(I8-10)黏土矿物X-射线典型衍射图谱Fig.2　X-ray diffraction patterns of clay minerals in the typical sample (I8-10) from core I8 in the Western Philippine Sea

伊利石化学指数(CI)，用乙二醇饱和片衍射曲线上5 Å和10 Å的峰面积比来计算，如果CI大于0.5，则为富Al伊利石，表示强烈的水解条件[26-27]，表明伊利石形成于物理风化弱，且温暖潮湿的气候条件；而小于0.5则为富Fe-Mg伊利石，代表了物理风化的结果[28]，表明伊利石形成于物理风化程度强并且干冷的气候条件[[29]。伊利石的结晶度用10 Å的半峰宽(FWHM)来表示，结晶度可以用来表示黏土矿物的有序度和晶体颗粒的大小，值越低表示结晶度越高，指示陆源物质的水解作用弱，气候比较干冷，通过结晶度可以示踪黏土矿物的物源区和搬运路径。用伊利石/蒙皂石(I/S)值作为风尘输入替代指标，高岭石/伊利石(K/I)值作为化学风化程度指标。

2分析结果

由表1可以看出，I8孔的黏土矿物组成中，伊利石含量最高(平均为40%)，其次为蒙皂石(平均为28%)，绿泥石(平均为20%)和高岭石(平均为12%)相对较少。伊利石结晶度较好。

4种主要黏土矿物含量和特征参数的垂直变化如图3所示。伊利石和蒙皂石含量出现较明显的负相关，而高岭石和绿泥石则是明显的正相关。黏土矿物的含量呈现出周期性的变化，根据伊利石含量变化，可将I8孔自下而上分为4个阶段：

表1　I8孔和参考站位的黏土矿物含量和特征参数

注：表中空白处表示无数据。

第一阶段(343~190 cm)各曲线波动频繁，伊利石周期性旋回明显，含量相对较低，蒙皂石与伊利石曲线变化趋势相反，而绿泥石和高岭石处于明显的高值。伊利石/蒙皂石(I/S)值变化趋势与伊利石一致。伊利石化学指数(CI)与结晶度变化频率较高，振幅相对偏大，可能指示着源区相对潮湿的环境。较高的高岭石/伊利石(K/I)值也指示着此阶段高岭石源区相对于后期的气候更加温暖潮湿。

第二阶段(190~80 cm) 伊利石含量上升，蒙皂石变化趋势与伊利石相反，绿泥石和高岭石的含量明显降低，波动幅度较上一阶段有所减小。伊利石结晶度和K/I值降低且变化趋于平稳，同时I/S值变化趋势与K/I值相反，指示伊利石形成于物理风化程度强、干冷的源区气候下。

第三阶段(80~40 cm)伊利石相对含量增大，蒙皂石减小，而绿泥石和高岭石变化趋势与伊利石相反且变化幅度突然增大。伊利石结晶度略有增大，化学指数由高值逐渐减小。I/S值增大，K/I值略有减小，可能指示了进一步干燥寒冷的气候。

第四阶段(40~0 cm)伊利石含量依旧为高-低-高的周期性变化，此时绿泥石和高岭石的变化也与伊利石一致，而蒙皂石却体现了相反的变化。伊利石结晶度和K/I值无明显变化。伊利石化学指数CI先上升后降低，I/S值与其呈镜像变化。

图3　I8孔黏土矿物含量和特征参数分布Fig.3　Distribution of clay mineral content and characteristic parameters in core I8

3物源区分析

3.1蒙皂石物源区分析

蒙皂石在大洋中分布十分广泛。海洋中的蒙皂石可以是由周围大陆岩石在温暖到半干旱气候条件下水解，或者是由海底基性火山物质长时间海解作用形成[30]。本区I8孔蒙皂石平均含量为28% (表1),在周围可能物源区中仅有菲律宾附近区域蒙皂石的含量明显高于I8孔(图4)，并且其每年大约可以输运 16×106t悬浮沉积物进入附近的深海中[31]，但海沟和黑潮可能会减少菲律宾群岛蒙皂石对I8孔的贡献。对比菲律宾海沟两侧岩芯中的蒙皂石含量，发现其西侧岩芯(如：WP2和WP40[10])及吕宋岛附近站位(Ph03[13]和MD06-3047[8]) 蒙皂石含量均大于50%，明显高于其东侧站位WP1[10]及I8孔，可见海沟和黑潮确实会减少菲律宾群岛沉积物向东的输送。除了陆源物质，蒙皂石也可以由海底基性火山物质海解形成。由图4可以看出，马里亚纳海沟、帕里西维拉海盆和菲律宾海沟附近站位蒙皂石含量都非常高，这是由于这几个区域有大量的火山物质输入[19-20，32]。石学法 等[10]、于兆杰[33]研究发现这些基性火山物质会形成形状不规则、边缘模糊的自生蒙皂石，并造成沉积物中的δEu正异常[34]，而I8孔沉积物中也存在明显δEu正异常(数据未发表)，表示存在大量的基性火山物质，会形成一定量的蒙皂石。所以I8孔蒙皂石应主要来源于附近火山物质蚀变，可能少量来自吕宋岛，这有待进一步调查。

图4　I8孔及其周边黏土矿物特征三角图[10-13,15,19-20,32,35-37]Fig.4　Ternary showing variation in clay mineral compositions of sediments from core I8 and its surrounding areas[10-13,15,19-20,32,35-37]

3.2伊利石物源区分析

伊利石是海洋沉积中最常见的黏土矿物，普遍认为其来自陆地，主要通过河流和风运输[38]。前人对于菲律宾海中伊利石的研究认为其主要来源于台湾岛[22]或中亚沙漠[39]。本研究中I8孔伊利石平均含量较高(40%)，由图4可知，吕宋岛伊利石含量较少，只有中国黄土、台湾岛和冲绳海槽等伊利石含量高于研究区。从化学指数来看，I8孔的伊利石化学指数为0.364~0.482，与中国黄土较符合(图5)。而结晶度(0.192°~0.245°Δ2θ)位于中国黄土和台湾岛之间，但结晶度会受到仪器和实验条件的影响[40]。台湾岛沉积物至I8孔的方向由北向南，与黑潮相反，不可能运送如此高比例的伊利石至研究区。虽然该区的吕宋潜流方向自北至南，但其是否存在，作用大小及冰期的变化还没有定论[33]。可见台湾岛并非I8孔伊利石的主要来源。为了探讨研究区风尘物质来源，将I8孔和各风尘源区的伊利石/高岭石(I/K)值做对比。I8孔I/K值范围为2.6～5.5，考虑到高岭石可能有其他来源，其风尘源区I/K值应大于这个值。非洲的I/K值为0.2~2.6[41-42]，澳洲的I/K值为0.79~1.86[43-44]，北美的I/K值为1.1~3.5[45]，这几个风尘源区相比I8孔，均更富高岭石；而亚洲的I/K值为1~22[46-47],内陆气候干旱，伊利石含量较高。结合图5中I8孔与黄土一致的化学指数，可以认为本研究区伊利石应主要来自于亚洲沙漠。

图5　I8孔及其可能物源区伊利石结晶度和化学指数关系[11-12]Fig.5　Correlation between chemical index and crystallinity of illite in core I8 and its possible provenance areas[11-12]

3.3绿泥石和高岭石物源区分析

研究区I8孔绿泥石相对百分含量平均值为20%，高岭石的相对百分含量平均值为12 %(表1)。I8孔高岭石和绿泥石有着较强的相关性(图6)，而与其它黏土矿物间无明显相关性，说明高岭石和绿泥石可能同源。

图6　I8孔沉积物中不同黏土矿物的相关图解Fig.6　Correlation of different clay minerals in core I8

目前对菲律宾海的研究认为其中的高岭石和绿泥石主要来自于风尘输入[32-33]或菲律宾岛[13]。但中国内陆黄土中绿泥石和高岭石相对百分含量较I8孔低[11-12，35，48]。另外，帕里西维拉海盆站位沉积物同样主要来源于风尘输入[16]，同I8孔相比，有着相近含量的伊利石百分含量，但帕里西维拉海盆绿泥石及高岭石却明显低于I8孔，因此风尘输入不足以提供足够的高岭石和绿泥石至研究站位(表2)。而吕宋岛分布着富含绿泥石的结晶片岩[22,49]和高岭石，吕宋岛及菲律宾海沟附近站位[10,12-13]高岭石和绿泥石含量均略高于或相近于I8孔。同时，PC631站及帕里西维拉海盆内各站位高岭石和绿泥石间均无明显相关性[14,32]，而I8、MD06-3047及WP1等越靠近菲律宾群岛 的站位绿泥石和高岭石间的相关性越明显[8,10-11]，可见研究区绿泥石和高岭石受其西侧陆地影响明显。但同蒙皂石一样，菲律宾海沟和黑潮也会对绿泥石和高岭石的输运有影响。通过对比菲律宾海沟左侧Ph03站、Ph04站和其右侧WP1站位黏土矿物含量(表3)，发现黑潮及菲律宾海沟对蒙皂石含量的影响明显高于绿泥石和高岭石。这可能是由于蒙皂石颗粒更细[50]，在运移时其水深位置相对绿泥石和高岭石较浅，更多的位于黑潮影响区域内。所以本区绿泥石和高岭石应大部分来自于菲律宾，少部分来自于风尘物质。

表2　I8孔与帕里西维拉海盆岩芯黏土矿物含量

表3　菲律宾海沟附近黏土矿物组成对比

4小结

应用X-射线衍射(XRD)方法分析了菲律宾海盆西部I8柱状样35个沉积物样品中的黏土矿物组分，并对各主要黏土矿物进行了来源识别，结果表明：

(1)I8孔柱状样中的矿物组分以伊利石为主(40%)，蒙皂石(28%)和绿泥石(20%)次之，高岭石(12%)相对较低，伊利石结晶度较好。

(2)本研究区受多个物源影响，伊利石主要来源于亚洲大陆的风尘输入；蒙皂石主要源于研究样品周围的火山物质的蚀变；而绿泥石和高岭石主要源自吕宋岛风化产物，少量来自亚洲风尘。

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The provenance of clay minerals in core I8 from the

West Philippine Basin

SHU Yu-ting1,2, ZHENG Yu-long*1,2, XU Dong1,2, CHU Feng-you1,2

(1.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China;

2.KeyLaboratoryofSubmarineGeosciences,SOA,Hangzhou310012,China)

Abstract:Clay mineral compositions of 35 samples in core I8 recovered from the West Philippine Basin were analyzed by X-ray diffraction (XRD) technique. The results show that the clay mineral assemblages in core I8 consist dominantly of illite (40%), with a lesser abundance of smectite (28%) and chlorite (20%), as well as a low amount of kaolinite (12%), and illite has good crystallinity. The source analysis of clay minerals indicate that the high contents of illite may come from the input of Asian dust, while smectite may be contributed by the nearby ocean bottom volcanoes, and weathering product from Luzon may play the most important role in providing chlorite and kaolinite.

Key words:clay minerals; provenance; the West Philippine Basin

作者简介:黄世玉(1964-)，男，福建南平市人，副教授，主要从事水产养殖与微藻生理生态研究。E-mail：hsy@jmu.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金项目资助(39900020)

收稿日期:2015-10-10修回日期:2015-10-26

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.04.007

中图分类号:P736.3

文献标识码:A

文章编号:1001-909X(2015)04-0061-09